Modélisation d une machine à courant continu Identification des paramètres

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1 ENS de Caan - TP de préparation à l agrégation - Electricité Modélisation d une maine à courant continu Identification des paramètres I. Modélisation et fonctions de transfert Nous allons présenter des modèles simplifiés des deux éléments principaux étudiés dans ce sujet, à savoir - Le haeur (convertisseur d énergie électrique de type continu en continu variable commandé). - La maine à courant continu (on étudiera deux maines à aimant associées sur le même arbre). L ensemble constitue un exemple simple de aîne de commande d un actionneur électrique. Ce type de structure se rencontre en traction ferroviaire, en robotique Les modèles donnés dans cette partie sont des modèles de connaissance (issue d une modélisation physique du système). Nous essaierons d établir, dans la partie expérimentale, des modèles de comportement (on ere la réponse d un système, inconnu à priori, à des signaux tests et on en déduit une fonction de transfert). I.1. Modélisation dynamique simplifiée de la maine. Vu de l extérieur, la maine peut être représentée par la mise en série d une résistance, d'une inductance L (par la suite, on ajoutera la valeur de l inductance de lissage mise en série avec la maine) et d une f.e.m à vide E v donnée par la relation E v =.Ω, si Ω est la vitesse de rotation. Nous supposerons que l'ensemble fixé à l'arbre de la maine est de moment d'inertie J et que le moment du couple de frottement est C f = C o +f.ω (frottement sec + frottement visqueux). rq : Si la maine est argée par une génératrice, on verra que le couple résistant appliqué par cette dernière est un couple de forme C r =.Ω qui devient très grand devant le terme de frottements secs ce qui permet de dire que le couple qui s oppose au couple moteur a un moment pratiquement proportionnel à Ω. di(t) Equation électrique: V s (t) =.i(t) + L. +. Ω(t) dt soit en variable de Laplace (p) =.I(p) + L.p.I(p) +. Ω(p) V s 1

2 dω(t) Equation mécanique: J. =.i(t) f. Ω(t) C (t) dt soit en variable de Laplace J.p. Ω(p) =.I(p) f. Ω(p) C (p) rq: C (t) est le moment du couple de arge. Si l on suppose que la arge mécanique de notre moteur est une génératrice à courant continu débitant sur une arge, alors on peut dire que E ' C =.I =. =. Ω soit C =. Ω =. Ω I.. Modélisation du haeur. Nous allons nous intéresser au cas d'un haeur série non réversible, composé d un interrupteur commandé (IGBT, MOS ) et d une diode (amorçage et blocage spontanés ) On suppose que les ondulations de courant sont négligeables (inductance de lissage suffisamment forte et fréquence de haage élevée), ce qui justifie le raisonnement en valeur moyenne. On suppose alors que V s = α.e où α est le rapport cyclique proportionnel à la tension de commande. Le haeur peut alors être modélisé par un gain statique entre α (entrée de commande) et V s (grandeur de sortie). Pour cela, on néglige donc sa réponse dynamique I.3. éponse en courant du système complet. Compte tenu des paramètres pris en compte, on s attend à avoir une réponse en courant de la maine de la forme J.p + f + I(p) T I (p) = = V s(p) + (L.p + ).(J.p + f + ) On remarque que pour les fréquences élevées, ce système va avoir un comportement identique à un passe-bas du premier ordre. C'est pourquoi, en pratique, quand on ere à asservir le courant dans un tel système, on l'identifie souvent comme tel. Moyennant quelques hypothèses, on peut préciser davantage l'allure de la fonction de transfert. Si on suppose que le dénominateur de la fonction de transfert permet de faire apparaître des constantes de temps (que nous appellerons τ e et τ em ), alors elle peut se mettre sous la forme:

3 (1 + τm.p) T I (p) = A. (1 + τe.p).(1 + τem.p) Pour de nombreuses maines (fortes inerties ), on a τ e << τ em <<τ m Si on prend également en compte le haeur, la commande de ce dernier et le capteur de courant, la fonction de transfert précédente est multipliée par un simple gain statique (l entrée est la tension image du rapport cyclique α et la sortie est la tension image du courant dans la maine donnée par un capteur à effet Hall par exemple). Dans ce cas, on peut donner le diagramme asymptotique de Bode suivant: On note qu à base fréquence, on risque d observer un comportement plutôt intégrateur sur la plage de pulsation définie par les deux premières coupures. Au delà de la seconde coupre, on s attend, en revane à un comportement de type passe bas. Cette remarque est particulièrement importante pour oisir la fréquence de travail lorsque l on ere à identifier le système par un modèle de comportement avec des signaux en créneaux. I.4. éponse en vitesse du système complet. Si on note C =. Ω = '. Ω, on trouve que Ω(p) TΩ (p) = = V (p) 1+ (T s em m +µ.t ).p + T.T avec = m +.(f + ' ),.(f + ' ) L.J µ =, T e =, Tem = +.(f + ' ) +.(f + ' ) Cette fonction correspond à un comportement de type second ordre. On peut parfois assimiler ce système à un premier ordre pour simplifier l identification, mais ce peut être dangereux, notamment pour des questions de stabilité e e em. p EMAQUE GENEALE : Pour toutes les manipulations d électrotenique, demandez systématiquement aux enseignants présents de vérifier votre montage avant de mettre ce dernier sous tension. Coupez le réseau dès que vous avez terminé de faire vos mesures. ATTENTION! pour visualiser les tensions dans les manipulations qui suivent, vous veillerez à utiliser impérativement des sondes différentielles de tension qui permettent d isoler la mesure du circuit étudié. On évite ainsi les problèmes de masse ramenées par les oscilloscopes notamment. 3

4 ATTENTION! Ne jamais déconnecter un fil dans lequel passe un courant important. Si un angement de câblage s impose, coupez la source et refaites le montage hors tension! PECAUTION : Avant de faire vos essais sur la maine à courant continu, pensez à limiter en courant l alimentation stabilisée à la valeur nominale de la maine. II. Identification des paramètres physiques de la maine II.1. La résistance d induit. Pour obtenir la résistance de la maine, il faut parvenir à l alimenter en continu sans qu elle puisse tourner. En effet dans ce cas, seule la résistance d induit sera prise en compte (pas de force électromotrice à vide et inductance d impédance nulle en continu). Saant que nous travaillons avec des maines à aimant identiques associées deux à deux, on procède de la façon suivante : - Pourquoi la maine ne tourne-t-elle pas? - Faire des mesures pour différents niveaux de courant jusqu à la valeur nominale de la maine. - Comparer à une mesure à l ohmmètre. Quelle valeur accorder à cette dernière mesure et pourquoi? II.. L inductance. Nous allons identifier l ensemble constitué par l inductance de lissage en série avec l inductance de la maine. Nous l appellerons L. On réalise le montage suivant, dans lequel on pensera à ajouter les capteurs nécessaires. 4

5 On arge la seconde maine afin de travailler à un courant moyen permettant d éviter un mode discontinu. On oisit une fréquence de haage permettant de faire apparaître un courant pratiquement en dents de scie. Dans ce cas, on peut montrer que α.(1 α).e.t L = i - Comment oisir la fréquence de haage? - Démontrer la formule précédente. - Mesurer i pour un α donné et en déduire L. rq : Il faut bien garder à l esprit que l inductance estimée par cette méthode représente la somme de l inductance de la maine avec l inductance de lissage II.3. Le coefficient. Nous allons supposer que les deux maines du banc sont identiques (même coefficient pour acune d entre-elles). On alimente la première maine avec l alimentation stabilisée (tension de sortie E), la seconde fonctionnant à vide. On relève la tension aux bornes de la maine à vide en fonction de la vitesse (donnée par la dynamo taymétrique) pour plusieurs valeurs de E. En déduire. II.4. Le moment d inertie et les frottements. Dans cette partie, nous allons réaliser deux expériences différentes afin de pouvoir séparer les paramètres. Nous allons supposer que les frottements fluides sont négligeable par rapport aux frottements visqueux. Dans un premier temps, nous allons travailler avec la seconde maine à vide. On alimente la première maine sous une tension continue puis on éteint brutalement l alimentation. On relève la réponse de la dynamo taymétrique. - L hypothèse sur la prépondérance des frottements secs est-elle justifiée? - En déduire le rapport C o /J. On réalise maintenant le même essai que précédemment, mais en branant une arge suffisante sur la seconde maine, afin d appliquer à la première un couple résistant proportionnel à Ω. On fera en sorte que le couple résistant soit prépondérant par rapport aux frottements, excepté pour les très basses vitesses. - éécrire les équations dans ce cas et en déduire l hypothèse faite sur le rôle de l inductance de la seconde maine. - Faire une mesure précise de la résistance de arge et en déduire le moment d inertie J. - En déduire le moment du couple de frottement sec C o. - Comment modélisera-t-on le couple résistant total (arge et frottements) qui s oppose au couple moteur de la première maine lorsque la vitesse de rotation n est pas voisine de 0? 5

6 III. Identification de type «boîte noire». III.1. Identification de la réponse en courant. On se propose d identifier le système complet de deux façons différentes. On commence par appliquer, comme tension de commande du rapport cyclique V α, une tension en créneaux à laquelle on ajoute un offset. On observe la réponse du capteur de courant pour différentes valeurs de la fréquence des créneaux. - Choisir une fréquence permettant d identifier un filtre passe bas du premier ordre et faire l identification. - Mesurer le gain en statique (en continu) et comparer au résultat précédent. Conclusion. On relève le diagramme de Bode du système complet (gain et phase) en envoyant une sinusoïde et un offset comme tension de commande du rapport cyclique. III.. Identification de la réponse en vitesse. On réalisera les mêmes essais qu au paragraphe précédent. Dans le cas de la réponse à des créneaux, on devra oisir judicieusement la fréquence de travail. q : en calculant le gain représenté par le haeur et sa commande ainsi que par les capteurs de courant et de vitesse, vous pouvez comparer votre modèle de comportement et votre modèle de connaissance. Bibliographie - Teniques de l ingénieur - «L électronique de puissance», DUNOD/BODAS de G. Séguier - «Maines électriques et électronique de puissance», DUNOD, C. Naudet et M. Pinard - «Electronique de puissance», Editions Casteilla, de M. Lavabre. - Hprépa PSI Electronique I et II. 6